基于机智云物联网平台的太阳能热水器控制系统

摘要: 以STM32F103ZET6是物联网控制模块的主要控制单元。基于智能云平台，为太阳能热水器设计了物联网控制系统。用户可以通过互联网远程控制和监控家用太阳能热水器的运行。该系统采用STM32F103ZET六是控制芯片，esp8266Wi-Fi太阳能热水器的远程控制与其他硬件电路和设计相结合。实验表明，该系统可以通过移动终端实现实时监控、加热、供水、定时和故障报警。

关键词: STM32F103ZET6 ，太阳能热水器，机智云AIoT云平台 ，远程监控

基于机智云物联网平台物联网平台的太阳能热水器控制系统，以解决此类问题。智能云平台是物联网开发的云服务平台，为开发者提供自助智能硬件开发工具和开放云服务。它可以自动生成MCU通过固定的自助工具和完美的移动终端代码SDK与API服务能力最大限度地降低了物联网硬件开发的技术门槛，降低了开发者的研发成本，提高了产品生产速度，帮助开发者智能升级硬件，更好地连接和服务最终消费者。

该系统主控芯片STM32F103ZET6通过Wi-Fi无线通信模块向基于机智云平台开发的手机发送太阳能热水器的相关参数和状态APP界面显示，实现远程操作控制，让用户在满足用户需求的基础上，在各个地方检查和控制家用设备，尽可能减少能耗。

一、总体方案设计

该系统由主控制器组成STM32F103芯片、温度传感器、液位传感器、电辅热装置、供水控制装置、报警装置、Wi-Fi由通信模块、智能云物联网平台和移动终端组成。电辅热装置包括继电器和连接的加热棒，上水控制装置包括继电器和连接的电磁水阀。温度传感器和液位传感器将从太阳能水箱中收集的信息传输给主控制器，主控制器处理、处理和显示传输的数据。然后，通过Wi-Fi无线通信模块将数据传输给基于机智云平台开发的手机APP界面显示用户可以使用手机APP设置理想的水温和水位。

系统还增加了报警装置和定时功能。当系统干烧或水温过高时，系统会发出报警提醒。此外，用户还可以通过系统定时功能选择任何时间加热和供水，方便快捷。具体系统结构框图如图1所示。整个系统优化了传感器的选择，结合智能云物联网开发平台，解决了传统控制系统的不足，使用户能够随时随地检查热水器状态，控制热水器，满足用户需求，节约更多能源，改善用户体验。

太阳能热水器系统结构框架

2 硬件设计系统

2.1 温度传感器模块与报警装置

太阳能热水器中的水温需要测量，范围为0~100℃，综合比较后，选择DS18B20作为系统的温度测量模块。DS18B20温度传感器的温度测量范围为-55~ 125℃，精度为±0.5℃。现场温度直接通过一线总线的数字传输，大大提高了系统的抗干扰性。使用时需将DS18B20位于太阳能水箱底部，以确保当太阳能水箱水位过低时，水箱内的水温也能实时检测。

为防止事故发生，系统增加了一个有源蜂鸣器和两个声光报警装置LED灯组成，一个是水位报警，另一个是高温报警。当太阳能水箱水位低于设定值或水箱水温高于设定值时，声光报警装置启动，以吸引操作人员的注意，主控制器也发出停止供水或加热的工作信号。

2.2 液位传感器模块

该系统由科赛沃电子科技有限公司生产KY该系列压力传感器采用硅压阻差压芯，压力传感器输出端口的电压与检测端口的压力成正比线性关系。根据帕斯卡定律，液体内部压力与液体深度有关。因此，通过测量输出端口的输出电压，可以计算出水箱的水位。使用前，检测口应放置在太阳能热水器蓄水箱底部，导气管高于水箱顶部，当液位高于检测点时，测量点处的压力为液压。

2.3 电辅热模块和上水控制模块

该系统中的电辅热模块包括继电器和加热棒，上水控制模块包括电继电器和电磁水阀。继电器是实现外部设备控制的主要手段，因此继电器的有效控制是执行器模块安全稳定运行的保证。通过分析加热棒和电磁水阀的功率，选择了各种继电器。HRS4H-S-DC12V型继电器。图2是该型号继电器的驱动电路图，主控制器通过该电路控制继电器，从而实现两个控制动作：供水和加热。

继电器驱动电路图

以上水动作为例，介绍其工作流程。图2中的SIGNAL-IN连接一个主控制器I/O执行器为电磁水阀。当需要打开水开关时，控制器会使用I/O此时，口输出高电平信号MC1413输入引脚为高电平，输出引脚为低电平，此时继电器K3通电吸合使继电器输出侧1A和1B电磁水阀在输出电路中通电，系统开始给水箱上水，同时相应的指示灯发光。当水达到指定值时，控制器使用PG输出14口低电平，MC141316脚输出为高电平，继电器断电释放，电磁水阀断电停止工作，上水动作结束。

加热控制电路与供水控制电路相同，但执行器由电磁水阀更换为电加热棒。此外，继电器驱动电路的原理图与供水控制相同，两个继电器都被选中MC控制1413，大大降低了后电路对主控制器电路的干扰，放大了电压信号，增强了其驱动能力。

本方案选用的电磁水阀是AC220V当连接到220时，常闭铜电磁水阀V交流电时开关打开，水流通过，断电时开关关闭，水流截止。加热棒的选择是AC220V整体防水加热管具有耐久、耐腐蚀等优点，所选继电器输出侧最高可承受2.5万W，加热棒正常工作时的功率为1万W，在继电器能承受的功率范围内，满足系统要求。

2.4 Wi-Fi无线通信模块设计

主要采用通信模块ALIENTEK公司推出的AKT-ESP8266是核心模块UART-Wi-Fi模块。通过对STM32串口初始化后，模块可以与主控芯片串口通信。选择平台作为机智云平台，机智云有大量的开发经验和技术积累，提供GAgent通信协议可以与模块交互进行数据交换[4-6]。平台软件兼容支持ESP8266模块，在对ESP8266初始化后，通过机智云手机工作APP与ESP8266进行云数据交换传输，以完成对系统的控制。而其中的通信内容能够被存储到云平台的开发者中心。

主程序流程图

3 系统软件设计1

3.1 主程序流程

主程序开始后，首先对每个模块进行初始化，并对设备进行自动配网。然后进入主循环程序，不断调用温度检测、水位检测、报警处理、时间定时、数据传输等子程序，检测判断系统状态。如有异常，应立即处理，流程图如图3所示。

在主循环程序中，首先调用传感器模块子程序，读取检测到的温度、水位等数据；然后判断系统是否工作在异常状态，标准是判断水温是否过高，高于设定值和水位是否过低，低于设定值。如有异常，控制报警装置发送报警信息，并向执行器程序发送指令，控制水装置或加热装置停止工作。如无异常，继续执行以下程序；

第二个判断是否收到手机终端发出的控制指令。如果收到控制指令，则响应该指令。如果未收到控制指令，则根据时间、系统数据和工作模式调用执行器程序来控制系统的运行状态。然后调用定时器程序完成定时操作，最后调用数据传输子程序，将系统数据和运行状态发送到移动终端，进入下一个循环。

加热流程图

3.2 执行器子程序

执行器程序包括完成供水和加热的整个过程。系统的加热操作过程与供水操作过程基本相同。以加热操作为例，详细说明执行器程序的操作过程。加热过程图如图4所示。

当系统温度高于设定值时，控制器会控制继电器断开加热棒的电源，使加热棒停止加热；当系统温度低于设定值时，判断系统是否可加热，判断水位是否过低会导致加热棒干烧。当水温达到设定水位时，控制加热棒的加热，停止加热。若未处于可加热状态，则向用户发送低水位信息，提醒用户水位过低，无法加热。

4.设置智能云物联网平台

4.1 设置数据点

机智云选择了设计中的通信部分Aiot开发平台[7]需要通过智能云平台完成其通信部分的代码，并在智能云平台生成项目后下载平台提供的部分代码。在生成的项目中，需要添加数据点。数据点的读写类型可分为只读、可写、报警和故障四种类型：只读数据点，即只读取数据点的返回值，而不是写入数据点；可写数据点可以写入数据点或读取数据点返回值；

报警和故障类型的数据点通常用于监测系统故障时的异常变量。本设计中仅使用了前两种，而每种类型数据点又有不同的数据类型。控制开关部分采用可写类型数据点，布尔量类型数据，即0关闭，1开启；变量设置部分也采用可写类型数据点，数据类型为数值类型；温度和水位返回值采用只读数据点，数据类型为数值[8]，显示当前太阳能水箱中的水温和水位信息。数据点是设计中非常重要的一部分，因此在开发之前需要设置数据点。

采用STM32 Cube MX要创建一个项目，它可以开始芯片所有的外设配置，而KeilμVision5作为开发环境。

本设计中选用了10个数据点对应不同的功能，通过对系统需求的分析，该系统需要5个布尔型的数据点来分别实现模式切换、加热状态切换、上水状态切换、加热定时状态切换、上水定时状态切换，同时需要5个数值型的数据点来分别实现温度显示、水位显示、温度设置、水位设置、温度定时设置、水位定时设置。数据点具体情况如表1所示。

4.2 机智云自生成APP的二次开发

 

机智云AIoT开发平台能够根据开发者创建的项目，生成对应的手机APP框架，在生成的APP框架中已经封装了手机（包括PAD等设备）与机智云智能硬件的通讯过程，以及手机与云端的通讯过程。这些过程包括配置入网、发现、连接、控制、心跳、状态上报、报警通知等。所以在Anddrio Studio的开发环境下对机智云服务平台生成的APP框架进行二次开发时，只需要调用相应的API函数对APP的UI界面进行修改即可。通过对APP的界面的背景，页面进行布局，数据的显示等方面的修改得到了如图5所示的手机APP界面。

 

5系统测试

为了方便测试，在系统中加了一块LCD显示屏，用于显示系统的参数，方便与手机APP进行对比。所设计的硬件平台在接入12V直流电源后，打开手机APP查看设备是否连接，确认手机APP与主控制器持续通讯后。机智云平台会每隔固定时间会向主控制器发送查询指令，主控制器接收到查询指令后会将所采集的水温水位等数据发送给机智云平台，从而在APP上显示出来。在APP界面中有按钮可对系统的参数和运行状态进行更改，当点击上水按钮后，APP会向主控制器发送控制指令，主控制器接收到指令后会发出信号控制上水继电器吸合，同时在APP界面上会有相应的显示变化。

当主控制器对APP发出的控制指令进行响应后，继电器指示灯会变亮，同时在用于测试LCD屏中开关状态也会有相应变化，S1表示上水开关，S2表示加热开关。图6中Temp代表所水温，Depth代表的是水位，Mode代表的是当前系统工作模式，本文中Auto表示智能模式，T1表示自动上水时间，A1表示上水量，T2表示加热时间，A2表示加热温度。

由图6和图7可以看出，APP显示的数据与用于测试的LCD显示屏参数保图5手机APP终端控制界面图持一致，且在APP界面中进行操作可以完成控制指令的下发。测试表明，所设计的手机APP既能显示热水器的状态和参数，又能达到控制上水和加热的效果。

用于测试的LCD显示屏界面图

远程手机APP显示界面图

本文设计了一种基于机智云物联网平台的太阳能控制系统，以STM32F103ZET6芯片为主控制器，以ATK-ESP8266 Wi-Fi芯片作为物联网通讯模块与机智云物联网平台互联，再配合各个功能模块的电路设计，实现了用户可以通过手机终端的APP在任意时间、任意地点对太阳能进行实时监控。实验表明该系统能够准确和稳定地对太阳能系统进行实时监控。